纤维增强复合材料和其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种纤维增强复合材料，更具体地涉及一种具有高物性的纤维增强复 合材料，该纤维增强复合材料由不连续纤维和热塑性树脂构成。
【背景技术】
[0002] 因为能够通过具有高强度的纤维增强基质树脂的机械强度，纤维增强复合材料已 经广泛地用作具有高物理性质的轻质材料。尤其是，包括作为增强纤维的短纤维(不连续纤 维）和作为基质树脂的热塑性树脂的纤维增强复合材料具有高物理性质并且易加工性，使 得近年来其应用领域拓展，并且预期其开发加大。
[0003] 然而，在基质树脂中的增强纤维为不连续短纤维的情况下，与使用长纤维作为连 续纤维的情况相比，存在着纤维的末端容易从表面树脂层突出的问题。此外，在纤维的模量 高或者使用的基质树脂软的情况下，此现象非常显著。例如，在使用热塑性树脂作为基质树 脂的情况下，因为与热固性树脂相比，热塑性树脂软，所以复合材料内部的增强纤维突破存 在于表面的树脂层的现象更容易发生。
[0004] 尤其是，在表面树脂层薄并且增强树脂为诸如刚性碳纤维的无机纤维的情况下， 或者复合材料中单纤维以纤维束的形式保持的情况下，此问题非常显著。
[0005] 另外，已知压模法作为复合材料的有效率的生产方法。然而，与其他方法诸如注塑 法相比，表面树脂层变薄，这对于上述纤维突出趋于不利。此外，在压模中，使用的增强纤维 包含在在压模时处于强烈变形的状态复合材料中，从而导致相对于其他方法残留了较高的 内部应力。为此原因，当复合材料表面上的薄树脂层的强度在此状态下出于某些原因降低 时，残留的内部应力被释放。有着上述的纤维突破纤维增强复合材料的表面树脂层的现象 更容易发生的问题。
[0006] 在压模时，这种由材料的内部应力导致的现象通常称作弹性回复。然后，在纤维增 强复合材料中，此弹性回复现象的一部分，即增强纤维向复合体表面突出的现象有着表面 化的倾向。
[0007] 例如，作为具体的复合材料，在专利文献1中公开了一种通过压模包含不连续碳纤 维和热塑性树脂的纤维基质结构而获得的复合材料。但是，尽管这样的复合材料具有高物 理性质和优秀的表面质量，其还具有内部应力倾向于残留在增强纤维中的问题。例如，在表 面基质树脂的物理性质随着时间流逝等而下降的情况下，表面质量也倾向于下降。
[0008] [专利文献1]
[0009] JP-A-2011-178890 [0010] 发明概述
[0011] 本发明待解决的问题
[0012] 本发明提供了一种纤维增强复合材料，该纤维增强复合材料具有高物理性质，并 且由于耐候性劣化引起的表面外观变化小。
[0013]解决问题的手段
[0014] 本发明的纤维增强复合材料，其特征在于是一种通过用纤维增强基质树脂获得的 复合材料，其中，所述基质树脂包含热塑性树脂和炭黑，所述纤维是不连续碳纤维，所述不 连续碳纤维的一部分形成纤维束，并且位于所述复合材料的最外层表面与所述复合材料内 部存在的所述纤维之间的所述基质树脂最薄部分的厚度小于?οομπι。
[0015] 此外，优选的是，所述热塑性树脂是聚酰胺系树脂，所述不连续碳纤维的长度在3 ~100mm的范围内，并且所述不连续碳纤维随机定向。另外，优选的是，所述炭黑的一次粒径 的尺寸在7nm~75nm的范围内。
[0016] 然后，本发明的其他是纤维增强复合材料的制造方法，其特征在于压模未成型材 料，该未成型材料包含热塑性树脂、不连续碳纤维和炭黑。
[0017] 本发明的有利效果
[0018] 根据本发明，可以提供一种纤维增强复合材料，该纤维增强复合材料具有高物理 性质，并且由于耐候性劣化引起的表面外观变化小。
【具体实施方式】
[0019] 根据本发明的纤维增强复合材料是通过用纤维增强基质树脂获得的复合材料。此 外，基质树脂包括热塑性树脂和炭黑，纤维是不连续碳纤维，并且不连续碳纤维的一部分形 成纤维束。
[0020] 这种本发明的纤维增强复合材料是一种复合材料，其中用不连续碳纤维增强基质 树脂，并且基质树脂必须包含热塑性树脂。另外，热塑性树脂优选为基质树脂的主要成分。 关于本发明中使用的热塑性树脂，可以使用结晶树脂和非结晶性树脂。此外，优选的是，对 应于结晶树脂的熔点或非结晶树脂的软化点的温度在180°C~350°C的范围内。在使用这种 热塑性树脂的情况下，能够获得可压模性特别优秀的材料。
[0021] 更具体地，热塑性树脂包括例如聚烯烃系树脂、聚苯乙烯树脂、苯乙烯系树脂、聚 酰胺系树脂、聚酯系树脂、（甲基)丙烯酸树脂、聚芳酯树脂、聚苯醚树脂、改性聚苯醚树脂、 热塑性聚酰亚胺树脂、聚酰胺酰亚胺树脂、聚醚酰亚胺树脂、聚醚腈树脂、苯氧基树脂、聚苯 硫醚树脂、聚砜树脂、改性聚砜树脂、聚醚砜树脂、聚酮树脂、聚醚酮树脂、聚醚醚酮树脂、聚 醚酮酮树脂、聚氨酯树脂、氟树脂和聚苯并咪唑树脂等。
[0022] 特别地，具有良好可塑性的聚酰胺系树脂或聚酯系树脂是优选的。具体来说，关于 聚酰胺系树脂，优选的是聚酰胺6树脂(尼龙6)、聚酰胺11树脂(尼龙11)、聚酰胺12树脂(尼 龙12)、聚酰胺46树脂(尼龙46)、聚酰胺66树脂(尼龙66)、和聚酰胺610树脂(尼龙610)等。关 于聚酯系树脂，优选的是聚对苯二甲酸乙二醇酯树脂、聚萘二甲酸乙二醇酯树脂、聚对苯二 甲酸丁二醇酯树脂、聚对苯二甲酸丙二醇酯树脂和液晶聚酯等。
[0023] 同时，本发明中使用的热塑性树脂不应被理解为局限于一种，也可以使用两种以 上。使用两种以上热塑性树脂的实施方式包括，例如一起使用具有互不相同的软化点或熔 点的热塑性树脂的实施方式，以及一起使用具有互不相同的平均分子量的热塑性树脂的实 施方式等。此外，不应排除包含热固性树脂作为其一部分的情况。
[0024] 另外，在本发明的纤维增强复合材料中，使用短纤维形式的不连续纤维作为增强 纤维。另外，关于本发明中使用的不连续纤维，必须使用由碳纤维构成的不连续碳纤维。
[0025] 本发明中使用的碳纤维包括聚丙烯腈(PAN)系碳纤维、石油-煤沥青系碳纤维、人 造丝系碳纤维、纤维素系碳纤维、木质素系碳纤维、苯酚系碳纤维和气相生长碳纤维等。尤 其是，在拉伸强度优秀的方面，本发明中优选使用聚丙烯腈(PAN)系碳纤维，从而能够获得 具有优秀物理性质的复合材料。
[0026]另外，关于增强用碳纤维的物理性质，其拉伸模量优选为在lOOGPa~900GPa的范 围内，更优选为在220GPa~700GPa的范围内，并且还更优选为在230GPa~450GPa的范围内。 在用于热塑性树脂增强时，拉伸模量高是优选的。但是，当拉伸模量过高时，在加工时内部 应力容易残留而导致诸如弹性回复的缺陷扩大的倾向。例如，在拉伸模量过高的情况下，BP 使满足了此应用的其他要求，也难以完全抑制弹性回复。
[0027] 另外，拉伸强度优选为在2000MPa~lOOOOMPa的范围内，并且更优选为在3500MPa ~7000MPa的范围内。纤维的比重优选为在1.4~2.4g/cm3的范围内。更优选为在1.5~ 2.0g/cm3的范围内。
[0028] 另外，在本发明的纤维增强复合材料中，使用不连续纤维作为增强纤维的一种形 式。本文中使用的"不连续"意指切割成特定长度的不连续纤维，不为单一长纤维(长丝)状 态。在本发明中，通过使用这种不连续纤维，能够获得高度各向同性的纤维增强复合材料。 在使用长纤维增强的情况下，各向异性倾向于必然发生。
[0029] 本发明中使用的不连续增强纤维的纤维长度优选为在3_~100mm的范围内，更优 选为在10mm~80mm的范围内，并且特别优选为在15mm~60mm的范围内。通过增加纤维长度， 能够提高纤维增强复合材料的机械强度，并且除此之外，弹性回复倾向于不容易在纤维增 强复合材料的表面上发生。从该观点来看，其长度进一步优选为20mm以上。与此相反，通过 减小纤维长度，纤维增强复合材料的各向异性降低，并且除此之外，热塑性树脂中的增强纤 维的流动性提高，从而倾向于提高可塑性。在本发明中，一起使用具有互不相同的纤维长度 的不连续碳纤维的实施方式也是优选的。
[0030] 对本发明中使用的碳纤维的纤维直径没有特别限定。但是，其平均纤维直径优选 为在3μηι~50μηι的范围内，更优选为在4μηι~12μηι的范围内，并且还更优选为在5μηι~ΙΟμπι的 范围内。在此纤维长度或纤维直径范围内时，不仅增强纤维的物理性质高，而且其在作为基 质的树脂中的分散性优秀。另外，例如，在使用诸如玻璃纤维的脆性材料的情况下，其在压 模等时被切断。因此难以确保这样的纤维长度或纤维直径。
[0031] 另外，本发明中使用的不连续纤维的一部分形成